dc.description.abstract
Kern der hier vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung des Deformationsverhaltens dehnungsempfindlicher Spaltsinnesorgane von Arachniden.<br />Die einzelnen Spalte sind isoliert, in losen Gruppen oder in sogenannten lyraförmigen Organen angeordnet, wobei in letzteren die Spalte typischerweise sehr eng beieinander liegen.<br />Das Ziel dieser Arbeit ist es, das komplexe Deformationsverhalten der einzelene Spalte innerhalb lyraförmiger Organe zu verstehen, das durch die Interaktionseffekte zwischen den Spalten, wie Abschirmung und Verstärkung, bestimmt wird.<br />Ausserdem werden die Einflüsse der Spaltmorphologie und der Form der Cuticula im Bereich der Einbettung der Organe auf die Spaltdeformationen untersucht.<br />Zwei Modellierungsstategien werden verfolgt, ein analytisches Verfahren aus dem Bereich der Bruchmechanik, die Methode von Kachanov, und die Methode der Finiten Elemente (FE).<br />Die Ergebnisse der Simulationen sind Spaltdeformationen, die entweder an einer bestimmten Stelle oder entlang der Spaltufer ausgewertet werden, ebenso wie Spannungs- und Verzerrungsfelder im Nahfeld der Spalte.<br />Die Genauigkeit des analytischen Verfahrens von Kachanov wird mit Hilfe von Ergebnissen aus der FE Analyse untersucht.<br />Die Grenzen der Einsetzbarkeit der analytischen Abschätzungen sind erreicht, wenn der Abstand zwischen den Spalten die halbe Spaltlänge unterschreitet, d.h. diese Methode ist zur Untersuchung von Einzelspalten oder losen Gruppen, aber nicht von lyraförmigen Organen, geeignet.<br />Zur Untersuchung von Spaltanordnungen, in denen die Spalte sehr eng beieinader liegen, wird im weiteren die FE Methode verwendet.<br />Die FE Methode zeichnet sich dadurch aus, dass die Qualität der Ergebnisse nicht durch den kleinsten Abstand der Spalte limitiert wird, eine Vielzahl von unterschiedlichen Spaltgeometrien untersucht werden kann und eine einfache Erweiterung auf dreidimensionale Konfigurationen möglich ist.<br />Im ersten Schritt werden die charakteristischen geometrischen Parameter der Spalte, wie Streckung, Spaltform, Geometrie der Mittellinie der Spalte und Spaltorientierung, hinsichtlich deren Einfluss auf die Spaltdeformation untersucht.<br />In Arachniden findet man unter anderem Spalte mit C- oder S-förmiger Mittelline, jedoch sind die meisten Spalte gerade.<br />Bei Insekten treten bevorzugt Öffnungen mit ellipsenähnlicher Form in den dehnungsempfindlichen Campaniformen Sensillen auf.<br />Weiters wird die Richtungsempfindlichkeit generischer ebener Anordnungen von fünf gleichen Spalten, wie sie auch schon mit Hilfe der Methode nach Kachanov untersucht wurden, d.h. Stapel, versetzter Balken und Dreieck, analysiert, nun jedoch auf Basis von Spaltabständen wie sie auch bei lyraförmigen Organen auftreten. Lyraförmige Organe sind hochentwickelte Spaltanordnungen mit Variationen hinsichtlich der Form der Spaltmittellinie, der Spaltbreite, der Orientierung und der Länge der einzelnen Spalte.<br />Der Einfluss dieser Variationen auf die Richtungsempfindlichkeit der Anordnungsmuster wird mit ebenen Spaltformationen basierend auf realen lyraförmigen Organen der Spinnen Cupiennius salei und der Vogelspinne Aphonopelma untersucht.<br />Für den speziellen Fall des lyraförmigen Organs HS8, das sich auf der Tibia von C. salei befindet, werden die mit einem ebenem FE-Modell bestimmten Spaltdeformationen mit Resultaten von Messungen mit Hilfe von Weißlichtinterferometrie Messungen bestimmt.<br />Schließlich erweitern wir die FE-Modelle in die dritte Dimension und verwenden Schalenmodelle, um die unterschiedlichen Formen der Cuticula an der Stelle der Organe, im speziellen globale und lokale Krümmungseffekte, zu untersuchen.<br />Eine Reihe numerischer Simulationen verwenden ebene und zylindrische Bereiche, in denen Einzelspalte modelliert werden, die auf lokalen Erhebungen in der Form von Kuppen und Leisten liegen.<br />Ausserdem werden dreidimensionale Strukturmodelle entwickelt und verwendet, um den Einfluss der Querschnitte und der Steifigkeit der Membranen sowie der Materialeigenschaften der Rezeptorlymphe innerhalb der Spalte auf die Spaltdeformation zu untersuchen.<br />Ein Kapitel der Dissertation ist schließlich der Frage gewidmet, wie entsprechende biomimetische Sensoren aufgebaut sein könnten.<br />
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